西门子模块6ES7231-0HC22-0XA8型号齐全

西门子模块6ES7231-0HC22-0XA8型号齐全

1 引言

自动化立体仓库（AS/RS）是物料搬运、仓储管理科学中一门综合性的、是由高位托盘货架构成并配以堆垛机或其他自动化传输系统、操作软件的物流系统。它与平库相比，可节约７０％的占地面积和７０％的劳动力。具有很高的空间利用率和出入库能力，能加快货物的出入库存储节奏，减轻劳动强度，提高生产效率；其一次性投入成本也相当高，如我公司的上海印钞厂AS/RS项目仅货架总价就达260多万人民币，其具体构成为DF(P)M-30-1000堆垛机6台，货位数4250个，货架高度约30米，共6个巷道，货物单元规格为1250（L）× 920（W）× 1440（H）、货物单元设计重量1000 kg，生产安装工作周期近4个月。它是我司所做的50多座自动化立体仓库货架(AS/RS )中最高的一座。主要通过监控计算机实现全面协调、监视、控制目的，其主要功能是接收操作指令、检测信号、指挥作业、判断故障、返回信息等。包括监控、管理调度计算机、红外通信器、堆垛机、转轨机、输送设备等。而立体仓库中货物的存储节奏及作业周期主要由巷道堆垛机的工作运行速度决定的，目前我公司选用的堆垛机技术要求主要为：水平运行速度最高达200m/min，起升速度最高达120m/min，货叉伸缩运行最高速度达50m/min等。本文拟就SIMATIC S7-300 可编程控制器在立体仓库（AS/RS）系统堆垛机电机闭环无级控制中的具体应用、控制系统的配置及控制方案的选择思路等进行探讨。

2 概述

目前，自动化立体仓库巷道堆垛机应用的变频调速手段有两种：

1）、当运行控制速度、控制定位精度较低时，一般选用开环有级调速运行模式：即手动设定几个固定的运行频率（如：高速、中速、低速三种运行频率，实际上可根据使用的不同规格或品牌的变频器及配套的变频电机等选择设定不同梯度的运行频率，如美德的某款变频调速系统的有级调速设定可达16级），根据堆垛机的具体运行和控制要求由PLC根据外部环境的输入输出信号进行程序控制切换和设定，如用控制用行程开关、光电接近开关等作为信号输入控制单元等，以达到调速、定位停准的目的；但该变频调速手段的输出偏差或位置控制的误差分布范围大，特别是当自动化立体仓库巷道堆垛机的运行速度较高时，会造成速度转换后的加、减速距离的增加，加、减速平稳性控制难度的增加以及控制单元敏感性下降、故障率上升等，其应用具有很大的应用局限性。

2）、当运行控制速度、控制定位精度较高时，一般选用闭环无级运行控制模式，即：对堆垛机的运行速度、运行位移量或位置定位点实现闭环无级运行控制模式，从而从根本上实现到达目的地址时的制动停准和根据运行距离实现的平稳换速、适时调整变频器的运行控制频率，以实现最佳平稳运行速度的要求，并能缩短作业周期，提高作业效率；该变频调速手段控制精度高，运动控制平稳，具体场合的适应性好，系统运行的可靠性高，易调试，但一次性投资成本较高。主要表现在闭环反馈信号元件的控制精度选择与配置（如：激光测距仪及其接口电路或板卡）、PLC配置上的高端化、上位机控制软件及硬件与PLC的接口电路或板卡等，其软件编程的高端和复杂化以及软件开发调试具有一定的难度等。

3 闭环无级控制原理

要实现自动化立体仓库巷道堆垛机的闭环无级控制，必须根据变频器和堆垛机电机的特性，即：在一定载荷下变频器所存在的理想加速和减速特性曲线，或根据不同的品牌和规格的变频器的特性参考资料、所运输载运货物所允许的最大加速度以及现场运行试验的结果、堆垛机电机的负荷特性等进行适时调整。基本控制原理如图一：
基本控制思想为：1）、根据激光测距仪测量反馈的当前速度信号适时调整变频器的输出驱动频率值，从而保证堆垛机能以要求的速度平稳运行；其还表现在必须根据自动化立体仓库库存的具体货物，如货物的重量、重心高度等选择相应的速度控制模式，即初时运动加速度与加速控制时间、平稳运行速度与距离、减速运动加速度与控制时间等，并提供客户一系列的控制规范图表；2）、根据激光测距仪测量反馈当前堆垛机的距离信号及预先设定的控制方案适时调整变频器的输出驱动频率值，使堆垛机先以较高的速度运行到接近目的地址的位置后将速度平稳降到较低的速度下工作，并在目的地址处准确制动停准，必要时可采取机械抱闸系统来辅助快速定位；堆垛机在工作过程中实时采集水平运行、货物升降、货叉伸缩三个方向的数据，并不断地与存放在软件控制数据块里的标准位置参数进行比较和控制决策，从而达到准确定位、快速存储货物、提高作业效率的目的，并与监控系统交换工作信息和库位状态信息等以实现系统的全面动态管理。

4 控制方案

为实现自动化立体仓库巷道堆垛机的闭环无级控制，其闭环无级控制反馈信号根据认址方式上的差异可分为：认址片认址、旋转编码器认址、激光测距仪，一般情况下采用激光测距、测速进行速度反馈的电机闭环变频调速方案是一种比较理想的控制方案，该方案能精确控制电机转矩，低速运行性能好，电机加速特性好，调速范围大，工作性能可靠且动态响应性能好，其重复控制精度可达到1mm以上，但系统开发成本高，影响到实际的推广应用。

随着计算机技术的飞速发展，特别是现场总线技术的日益成熟，立体仓库的控制模式也从采用PLC加PC或PC加控制板卡的方式，发展为软PLC控制模式，同时该系统价格较传统的PLC或板卡控制方式低，且应用灵活，该系统涉及到电气控制原理、数据库以及决策技术、计算机技术等，其核心控制部分为软PLC，与外部周边设备或硬件采用PROFIBUS-DP现场总线，操作界面和各个程序之间的接口利用C++语言编写，备有连接SIMATIC系列元件的整套接口、固有的HMI（人机界面）等，但针对堆垛机电机的高、低速控制应用方案（包括有些特殊控制性能要求而选用伺服驱动系统的堆垛机系列）仍优先选用闭环变频调速控制方案， 
PLC与激光测距仪和绝对值旋转编码器的连接采用：DEVICENET连接方式，激光测距仪通过串口连接，用协议宏方式通信，绝对值旋转编码器通过I/O口连接，使用GRY指令，注意考虑和调试好整个系统的响应时间，如DME240激光测距仪具有以下特性参数：测距范围为0.5-240M，通信接口有SSI、Profibus-DP、Interbus-S三种，输出时间只有1ms，分辩率为0.1/1mm，运行速度可达10M/S等。

5 在配送中心模式下的具体应用

一般配送中心的主要作业流程为:


立体仓库中堆垛机的主要工作是完成储存环节的搬运，即：准确地依照上位机给出的出入库将货物取出或放入有关货位，并将工作过程的状态信息反馈给监控系统；

选择SIMATIC S7-300系列PLC系统并应用在AS/RS体系中已取得了很大的成功，SIMATIC S7-300为模块化无风扇的设计，坚固耐用，容易扩展、具有广泛的通讯能力，容易实现的分布式结构以及用户友好的操作使SIMATIC S7-300成为中、高档性能控制领域中首选的理想解决方案。结合堆垛机的工作特性，SIMATIC S7-300是既经济又方便的选择方案。

案例一：某配送中心立体仓库的堆垛机电气控制部分采用西门子S7-300PLC，PLC与监控系统以及各从站之间的通讯采用PROFIBUS-DP现场总线方式；

硬件：1）、SIEMENS SIMATIC S7-300 CPU313C-2DP一块，2）、SIEMENS SIMATIC S7-300 16bit24V数字量输入模块二块，3）、SIEMENS SIMATIC S7-300 CP342-5一块，4）、SIEMENS SIMATIC S7-300 ET200M一块，5）、SIEMENS SIMATIC S7-300FM350计数模块一块，6）、SIEMENS SIMATIC S7-300 PS3075A电源模块二块，7）、从站可根据系统设计和要求合理选择多组，一组从站（一套堆垛机，实现一个巷道的控制），包括三台变频器及变频电机、两台激光测距仪（控制重复精度为1mm，测距范围在240M左右，选择德国SICK的相关型号）、一个ET200M等。

软件：该系统软件的开发环境为SIEMENS SIMATIC S7 STEP7 V5.1编程软件，采用STL方式编程，可实现堆垛机的手动、自动、整线联机等基本功能。结合具体的上位机的仓库管理软件或资源管理系统ERP等，配置相应的接口电路与系统可实现立体仓库的动态管理。

具体应用：在软件系统设置具体的堆垛机工作模式时一般依据下列可能选择，在设备调试、库房库位盘点或故障处理时使用手动工作模式；单独控制和使用堆垛机，不需要周边设备（如：管理机、输送机等）参与工作时选用自动工作模式；通常采用整线联机工作模式，以确保立体仓库中的作业情况、库存量动态变化情况等能准确反映到企业的管理系统中。

6 结论

采用激光测距、测速进行速度反馈的电机闭环变频调速方案是一种比较理想的堆垛机控制方案，基本能满足AS/RS立体仓库系统对各巷道堆垛机的控制要求，实现货物存储过程的快速平稳的作业，提高作业效率和控制质量。

1 引言

PLC 广泛应用于工业控制领域,因其具备良好的扩展性和独有内部逻辑的二次编程功能,大大扩展其在工业生产和工业控制领域的应用范围。本文从电力系统智能装置的自动测试系统原理出发,简要介绍自动测试系统结构,详细介绍PLC 在本系统功能和具体应用, 并针对PLC 在电力系统智能装置自动测试系统特殊领域的应用中出现的触点的条件、采样数据上送和特殊控制逻辑的要求问题进行讨论, 并给出一般解决办法。实践应用表明,可编程控制器的良好的扩展性和其独有逻辑编程特点有效扩大其应用领域和范围。

2 系统基本原理

电力系统智能装置一般包括是继电保护装置和测量控制装置。继电保护装置主要功能是保护电力系统的一次设备安全运行,确保电力系统输电系统的安全运行,而测控装置主要负责电力系统开关的控制和电气量的测量, 二者构成完整电力系统二次保护设置。

从电力系统智能装置和外部一次设备的发生联系的主要电气量包括:一次设备的模拟量、一次设备的信号开入和继电保护出口三个最主要部分。因此,模拟现场运行环境的电力系统智能装置自动测试系统也必须具备模拟量输出、开关量输入和开出触点的功能,但不仅仅限于这三部分的功能的,其他还应包括时钟同步等等功能的检测。

目前, 电力系统智能装置是属于微机型, 其具备完好信息记录功能,具备和其他外部系统良好的信息交换功能。因此电力系统智能装置的自动测试系统应包括四个最主要的功能:用于模拟故障模拟量输出模块、提供保护装置开人的开入模块、用于检测保护装置动作接点的开出模块和装置信息的解析模块。电力系统智能自动检测系统的基本原理:通过专用设备模拟电力系统故障状态模拟量输出,并通过开入模块提供保护装置的开入量, 从而满足保护装置保护动作基本条件,通过解析保护装置的信息和检测保护装置的动作出口触点, 从而完成保护装置的基本功能的检测任务。

3 系统组成和各模块基本功能

从电力系统智能装置的自动系统原理的出发,一个完整的电力系统智能装置的系统包括:微机继电保护测试仪、保护装置的开入模块、保护装置的触点检测模块和控制计算机模块。自动检测系统它主要由测试控制计算机、微机继电保护测试仪、可编程控制器、被测智能装置构成。

微机继电保护测试仪接受自动测试控制平台发出控制参数及命令类型, 向保护装置输出模拟量, 完成向保护装置输出模拟量完成保护功能的测试, 并及时将测试仪器反馈信息以标准统一格式上报到自动测试控制平台。

可编程控制器根据自动测试控制平台发过来的命令, 输出开关量信号, 实现保护装置硬压板的控制和保护开关量输出功能,将基于保护装置继电器开出触点输入的采样数据, 上送自动测试控制平台, 为保护动作触点判断提供连续有效开入量采样数据。

测试控制计算机是整个控制系统的核心硬件, 它通过网络和系统中其他硬件进行信息交互,控制继电保护测试仪向保护装置输出模拟量,接收保护装置信息解析模块上送的保护动作信息并通过其完成对保护装置的控制, 控制可编程控制器输出保护测试的开入量命令,检验保护装置继电器开出触点动作。

微机继电保护测试仪选用北京博电PW30AE, 可编程控制器选用GE 公司的GE-9030,可编程控制器通讯模块使用以太网模块。

4 PLC 应用主要问题及解决办法

可编程控制器在本系统的任务是完成智能装置的保护出口继电器触点或者遥控触点的检测和智能装置的遥信开入检测,具体到可编程控制器各模块是开入模块负责出口继电器触点导通和开出模块负责提供开出完成智能装置的遥信的检测功能。同时为了交换信息的需要,可编程控制器必须配置相对应的通讯模块以满足可编程控制器和上位机信息交换要求。

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在本系统设计时, 对开入模块的功能有具体的要求,这些要求是和电力系统的智能装置实现的功能是密切相关, 如触点类型和触点的导通时间等, 因此必须分析智能装置的保护出口继电器触点和遥控触点检测的具体要求,并以此为要求进行可编程控制的硬件选择和内部逻辑回路的设计,充分满足本系统对触点检测的特殊要求。可编程控制器的开出模块逻辑回路的设计也必须满足本系统的特殊需要。

4.1 继电器出口触点特殊要求

可编程控制器开入模块负责继电保护出口继电器辅助触点的通断情况,并将开入模块数据上送到控制计算机, 并作为控制计算机自动检测成功标准之一。

因此可编程控制器开入模块检测功能的强弱决定本系统的可靠性和稳定性。

继电保护装置的出口继电器触点包括四类:保持型常开接点、保持型常闭节点、瞬动型常开接点和瞬动型常闭节点。对于保持型出口触点的来说,可编程控制器的开入是满足自动检测的需要。而对于瞬动型触点的检测,可编程控制器开入模块检测功能是否满足要求取决于PLC 本身扫描周期T1 和瞬动接通的时间T2两者的关系。考虑到可编程控制器由于扫描方式引起开入延时最长可能达两个扫描周期,如果保护装置的瞬动触点的接通时间T2 大于两倍的扫描周期T1,该触点的状态变化就可以被PLC 开入模块所检测到。

瞬动触点的接通时间取决两个因素,一是装置软件内部对瞬动继电器出口延时整定的时间,目前各厂家提供的技术参数来看,装置软件触点延时的时间一般设置为50-100 毫秒,二是出口继电器本身动作时间和断开时间参数也会影响瞬动触点的接通时间。设瞬动型触点的接通时间为100 毫秒,要求可编程控制器的扫描周期的时间小于50 毫秒,才能保证可编程控制器的开入模块的检测功能的有效性。

可编程控制器的扫描周期和可编程控制器的硬件参数和用户的程序的大小有密切的关系。因此只要通过硬件配置和相关技术手册提供的技术参数并结合用户的PLC 程序指令类型和各指令类型数目计算出可编程控制器扫描周期, 选择合适可编程控制器模块, 保证可编程控制器扫描周期小于50 毫秒,保护装置的瞬动型触点检测就可以在可编程控制器开入模块来完成。

4.2 上位机数据采样特殊要求的实现

在小节中, 讨论了可编程控制器必须满足检测保护装置的四类节点的检测的基本条件。但条件的符合,只能保证PLC 开入模块能够检测保护装置动作触点状态的变化情况。在自动测试系统设计中,可编程控制器的开入模块仅仅采集触点状态,而完成触点状态检测标准判断是在控制计算机中完成,如何保证上位机能够得到完整、连续的基于采样周期为50 毫秒可编程控制器开入模块采样数据是本系统必须要解决的关键问题。

电力系统智能装置自动测试系统检测的对象是继电保护设备中出口继电器动作情况,由于继电保护设备的动作的快速性,部分保护动作时间实现小于 50ms,因此部分出口继电器触点状态在较短的时间会出现反转,根据系统设计要求,要求上位机能将保护动作前和保护动作后出口继电器接点动作情况进行检测处理,并将动作前后出口继电器接点状态作为该系统中继电器接点检测判断依据。因此,要通过上位机和可编程控制器通讯数据交换,实现采样时间间隔不大于 50ms 可编程控制器开入采样数据上送到上位机的目标。

目前, 上位机获得可编程控制器的开入采样数据是通过通讯交换信息得到,而提高上位机和PLC 数据信息交换效率是解决数据采样的实时性的措施之一,但仅仅依靠提高上位机和PLC 数据交换速度是无法到达采样数据周期50ms 指标要求, 即使上位机使用以太网介质能达到此要求,也会占用上位机比较多资源。同时由于可编程控制器扫描工作方式的特点,通讯模块频繁和上位机数据交换会影响可编程控制器其他模块功能执行,如影响可编程控制器扫描周期。

对于可编程控制器来说,在其内部实现50ms 采样周期的数据采样是完全可以的实现的,充分利用可编程控制器中数据转存和逻辑控制功能, 将每50ms 一次采样数据寄存到连续但不相同数据缓冲区。通过采样周期时间的整定,结合上位机和可编程控制器通讯协议的最大数据长度,上位机只需要在给定的时间内进行一次读取多次采样数据即可。上位机读取采样数据后,根据PLC 采样数据转存的原则和逻辑,将已接收到采样数据进行采样时序的还原即可。

4.3 可编程控制器顺序开出的实现

可编程控制器开出模块顺序开出主要是满足电力系统测控装置的遥信检测要求, 设计具体要求为: ①上位机下发一次命令,启动顺序开出,PLC 接受命令启动顺序开出逻辑回路,由可编程控制器本身完成开出模块开出接点顺序开出。②在顺序开出过程不允许同时出现两个开出同时接点接通状态。③顺序开出执行一次完毕即可停止开出。

设计基本思路: 在启动命令后, 启动维持一个扫描周期时间的定时T1 脉冲信号回路,同时启动另一个计时器T2(T2< T1)。在一个扫描周期脉冲到来时,由设定计数器和目标进行比较, 决定开出继电器序号, 开出执行并保持时间T2 后,计数器加一和执行复位判断程序, 等待下一个脉冲到来后执行上一过程直到全部执行完毕。

设计维持一个扫描周期时间的定时脉冲信号,定时的时间参数为两个开出之间的时间。一个周期定时脉冲梯形图如图1 所示。通过修改定时器类型和计时器参数,确保M100 能够在T1 的时间后产生一个能够维持一个扫描周期间的脉冲信号, 是一个通用的标准的定时脉冲信号程序。M103 为定时脉冲到来后宽度为T2 脉冲。

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